타이타늄합금 볼트 기계가공 생략한 저비용 생산 기술 개발!
재료연 염종택 박사팀, 온간성형 기법 이용 국산화 실현
기존 공정 대비 제조단가 30% 절감 기대


타이타늄 원소재의 비싼 가격 문제와 성형 및 가공상의 어려움을 개선, 타이타늄합금 볼트의 생산 단가를 획기적으로 낮춘 저비용 생산기술이 개발됐다.

재료연구소(소장 조경목) 구조재료연구본부 염종택 박사팀은 온간성형 기법을 이용하여 생산 과정 중 제품단가를 상승시키는 주요 요인이었던 기계가공을 생략, 타이타늄합금 볼트의 제조비용과 생산시간을 최대 30% 줄일 수 있는 기술을 국내 최초로 개발했다.

타이타늄합금 볼트의 경우 제조 비용 중 원소재 비율이 50%, 나머지가 성형 및 기계가공에 따른 부담이다. 이번에 개발한 기술을 적용하면 기계가공이 필요 없어 타이타늄합금 볼트(M7기준, 개당 가격 5000원) 생산시 개당 1,500원 정도를 절감할 수 있다.

이에 따라 그동안 제조 원가 측면에서 얼어붙었던 타이타늄합금 볼트시장이 활성화 돼 국산화에 의한 수입대체 효과 뿐 만 아니라 해외 수출도 가능할 것으로 기대되고 있다.

염 박사팀이 개발한 기술은 기존 열간 단조 후 기계가공을 거치는 생산과정 중 기계가공을 없애고 열간 단조보다 성형이 쉬운 온간성형기법으로 대체한 것이다. 또 여기에 성형이 잘 되게 하기 위한 금형설계기술과 소착방지를 위한 코팅 및 윤활기술 등 후처리 기술을 접목했다.

냉간성형 : 내부 조직이 변하지 않는 온도(대개 상온, 0℃)에서의 성형
열간성형 : 내부 조직이 변하는 온도(타이타늄 기준 900~1000℃)에서의 성형
온간성형 : 냉간과 열간의 중간 온도인 400~600℃에서 성형
내부 조직은 변하지 않으면서 열간에 비해 금속을 고온으로 가열했을 때 표면에 형성되는 산화물층이 적어 성형하기 쉬움
소착 : 물질이 타 서로 달라붙는 현상으로 성형에 방해 요소


순 타이타늄의 경우 일부 부품성형 시 냉간 단조 공법을 사용하여 왔으나, 타이타늄합금(대표적인 합금 Ti-6Al-4V)은 일반적으로 성형성이 좋지 않아 냉간 단조를 통한 볼트 생산은 불가능하다.
이 때문에 기존 타이타늄합금 볼트의 생산은 열간 단조 후 기계가공의 생산과정을 거쳤다.

염 박사팀은 이번 기술 개발이 최근 항공기와 차량, 선박 등 분야에서 친환경 및 경량이 강조되면서 철이나 스테인리스 볼트 등에 비해 비강도가 높은 타이타늄합금 볼트에 대한 관심이 높아지고 있는 가운데 이뤄낸 것이라 향후 파급 효과가 매우 클 것으로 전망했다.


비강도 : 가벼우면서도 튼튼한 재료가 요구될 때 그 척도를 나타내는 값


현재 타이타늄합금 볼트 등 파스너(fastener) 세계시장 규모는 약 1조5000억원 으로 국내시장은 이의 10%정도인 1500억원에 달하는 것으로 추정되고 있다.
하지만 대부분 해외업체로부터의 수입에 의존하고 있으며 국내에서 생산하는 경우도 원소재 수입 후 단순 기계가공하는 수준에 그치고 있다.

이번 기술개발은 중소기업청의 중소기업기술혁신개발과제로 선정돼 지원받았으며 스테인리스강 볼트 및 너트류 생산업체인 (주)신진(대표 곽종숙, 경남 창원)과 약 2년 동안 공동연구 활동을 벌였다.
염 박사팀은 최근 (주)신진과 국내·외 특허를 출원했으며 파일럿 플랜트 시설을 갖추고 타이타늄합금 볼트를 분당 20개씩 생산하는데 성공했다.
또 타이타늄합금 볼트 대량생산을 위한 상용화기술 및 설비를 보완하여 내년 상반기 양산화를 목표로 하고 있다.
타이타늄합금 볼트를 양산할 경우 연 200억원의 매출을 올릴 수 있을 것으로 예측된다.

염 박사는 “타이타늄합금은 높은 비강도와 우수한 파괴인성 및 부식저항성 등 많은 장점을 가지고 있으나 원소재 가격이 비싸고 성형하기 어렵다는 이유로 제조비용이 상승해 항공우주, 에너지, 화학플랜트 등에서 제한적으로 사용되고 있다”며 “이번 기술개발을 통해 그동안 가격을 이유로 시도되지 않았던 구조 및 기능재료 분야에서 철합금이나 스테인리스강 등 기존의 소재를 대체할 수 있을 것”이라고 밝혔다.